深切顺层岩质边坡的抗滑桩支护效果分析

　文章编号:0451-0712(2008)12-0004-04 中图分类号:U416.1 文献标识码:A 深切顺层岩质边坡的抗滑桩支护效果分析

龚文惠1,刘志华2,潘　登1

(11华中科技大学土木工程与力学学院　武汉市　430074;21葛洲坝集团第五工程有限公司　宜昌市　443002)

摘　要:顺层滑坡问题在我国西部工程建设中较为突出和普遍。利用有限元法,针对沪蓉西高速公路深切顺层岩质边坡问题,对抗滑桩支护前后边坡的应力场、位移场及稳定性进行模拟分析。对结果的分析比较表明:抗滑桩支护结构可有效地抑制顺层边坡的变形和滑动,明显提高边坡的整体稳定系数,对维护顺层边坡的整体稳定性具有良好的效果。

关键词:抗滑桩;顺层边坡;稳定性;有限元法

20世纪30年代初,抗滑桩的使用始于美国,后在欧美地区和苏联、日本等国家的铁路路基及边坡工程中得到大量应用。1954年,我国铁路部门采用钢筋混凝土抗滑桩治理宝成线史家坝4号隧道北口左侧顺层坍塌。1967年,成昆铁路的修建对抗滑桩的应用与发展起了较大的影响,首次成功地实现了新型的挖孔抗滑桩支挡结构,为我国滑坡整治增添了一种切实可行的新手段[1,2]。抗滑桩结构防治滑坡的基本原理,是在边坡中适当位置设置一系列钢筋混凝土桩,使桩尖穿过可能的滑面进入下部稳定滑床,凭借桩身的强度和滑面以下锚固部分桩周岩体的弹性抗力来平衡滑面以上的滑体下滑力的水平分量,从而使边坡保持稳定。目前,抗滑桩的种类很多,诸如钢轨桩、组合钢轨桩、混凝土钢轨桩、钢筋混凝土桩、滑面钢筋混凝土锚固柱、门型钢架桩和预应力锚索桩等[2,3]。

近年来,在我国西部的公路、铁路和水利建设工程中,常常遇到深切顺层岩质边坡问题。顺层岩质边坡的破坏往往具有突然性,且下滑迅速,特别是中厚型构造的顺层滑坡一般层间剪切力和下推力大,破坏后果严重,而采用锚杆支护一般很难达到理想效果[4]。抗滑桩作为一种较有效的加固顺层边坡的结构形式,在西部建设工程中得到越来越多的应用。由于顺层滑动面通常接近较理想的平面,采用抗滑桩支护时,抗滑桩在滑动面处主要承受剪力作用,不仅其结构设计计算简便,且具有桩位选择灵活、施工方便、安全可靠等优点。但由于抗滑桩支护工程的成本较高,因此其加固技术和效果备受工程界关注[5]。

本文利用有限元法[6～8],针对沪蓉西高速公路突出而普遍的深切顺层岩质边坡问题,对抗滑桩支护前后边坡的应力、应变、位移及稳定性进行模拟分析和比较,从而对抗滑桩支护的效果进行综合评价。

1　工程概况

沪蓉国道主干线湖北宜昌～恩施段公路地处复杂的丘陵低山区,沿线山体自然坡度较陡,有近150km的边坡为顺层边坡,其中大部分为深切顺层路堑边坡。如果设计和施工过程中的加固和支护处理措施不力,就可能造成这些边坡的顺层滑动,其破坏范围广、危害影响大,不仅直接影响工程建设的工期和成本,而且对公路的安全和质量造成严重的威胁和长期的隐患。因此,深切顺层路堑边坡的稳定性分析及治理,是确保工程安全和降低建设费用的一个重要环节,也是工程成败的关键技术之一。

本文以K448+991处顺层岩质路堑高边坡为例,对抗滑桩的支护效果进行分析。

111　工程地质条件

该顺层路堑边坡的开挖接近于山腰,山体自然坡角约为30°,岩层产状为340°∠40°。路堑开挖高度为3618m,开挖面积为362198m2。根据40m深钻孔资料表明,边坡岩体为弱-微风化灰白色白云质灰岩,微晶质结构,呈中厚层状构造,层厚约为018～2m,

基金项目:湖北省自然科学基金资助项目,项目编号2005ABA303

收稿日期:2008-04-14

　公路　2008年12月　第12期 H IGHWA Y　D ec12008　N o112　

层间结构面内被泥质方解石脉充填。分析时,为安全起见,开挖后的边坡表层5m 厚度内视为破碎岩层

,深部按未风化岩层考虑。不同风化程度的灰岩及其结构面的物理力学参数见表1。

表1　顺层边坡岩石及结构面物理力学参数

岩层岩性密度Θg ・c m -3

泊松比Λ

弹性模量E GPa

内聚力c kPa

内摩擦角Υ (°)破碎灰岩21301321850026弱-微风化灰岩215012515120032完整灰岩216501223514190041岩层结构面

210

--

30

17

112　路堑边坡断面及抗滑桩设计

该路堑边坡的设计横断面如图1所示。

单位:m

图1　顺层路堑边坡的设计横断面

拟设计的抗滑桩顶部位于路堑的第一级平台处,桩长为14m ,锚固段长为51879m ,自由段长为81121m 。桩体水泥混凝土采用C 20,桩径为130c m ,桩孔径为150c m ,护壁厚10c m ,沿路线方向的桩距为5m 。抗滑桩的布置方案如图2所示。桩体的有关物理力学参数见表2。

单位:m

图2　抗滑桩布置

表2　有关抗滑桩的物理力学参数

岩层岩性密度Θg ・c m -3

泊松比Λ

弹性模量E GPa

内聚力c kPa

内摩擦角Υ (°)桩体21501253510230060桩体与岩体间接触面

-

--

35

14

2　抗滑桩支护的效果分析211　有限元模型

依据路基横断面及地形图确定边坡的几何形

状,建立边坡无支护和有抗滑桩支护时的有限元分析模型如图3所示。

图3　顺层边坡的有限元模型

模型在四周边界均采用法向约束,只考虑自重应力,相邻结构面间岩层厚度取018m 。考虑到破坏主要为被切割岩层并从坡脚开始,故网格局部加密。图3(a )中,节点总数为12209个,单元总数4967个,岩层接触面数量为20个。在图3(b )中,节点总数为12059个,单元总数为6753个,岩层接触面数量为26个,抗滑桩与岩体接触面为17个。212　抗滑桩支护顺层边坡的效果分析

分别对无支护和有抗滑桩支护的顺层边坡的应力、变形及稳定性等进行有限元模拟计算和分析,主要分析结果见图4～图6及表3。

从图4中可以看出:无支护时,边坡的位移主要出现在开挖所切割的岩层中,且越接近坡脚,位移值越大;有抗滑桩支护时,被切割岩层中的位移明显减小,而最大位移出现在抗滑桩顶部。这表明抗滑桩对顺层边坡的位移有明显的抑制作用,确实达到了抗滑桩的“支挡”效果。

从图5和图6中可见:无支护时,坡脚附近被切割岩层中的结构面上的压应力和摩擦力都几乎为0,

说明易由坡脚处临空面首先发生岩块崩落而导致顺层滑动破坏;有抗滑桩支护时,坡脚附近被切割岩层

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5—　2008年　第12期 龚文惠等:深切顺层岩质边坡的抗滑桩支护效果分析